CN104817195B

CN104817195B - 分阶段分区供氧的低能耗污水曝气系统

Info

Publication number: CN104817195B
Application number: CN201510165933.0A
Authority: CN
Inventors: 李永泉; 李星; 吴明光
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2015-04-08
Filing date: 2015-04-08
Publication date: 2019-11-22
Anticipated expiration: 2035-04-08
Also published as: CN104817195A

Abstract

本发明公开一种基于有机物浓度和DO浓度的分阶段分区曝气系统。曝气系统包括爆气头组、安装支架、折流板组件、半软性填料装置、DO传感器组、控制器、曝气风机、电动调节阀组。DO传感器组、曝气风机、电动调节阀组与控制器相连，构成基于有机物浓度和DO浓度的分阶段分区DO模糊控制系统。基于污水处理过程中有机物浓度渐次递减、曝气池中溶解氧浓度非均匀分布的特点，采用时间维度上的分阶段、空间维度上的分区供氧策略；同时污水池中增设折流板组件和半软性填料装置，前者延长了污水与空气的接触时间，后者扩大了污水与空气的接触面积，不仅提高了出水达标率，而且使曝气中的氧得到更加充分的利用。

Description

分阶段分区供氧的低能耗污水曝气系统

技术领域

本发明属污水处理曝气系统的技术范畴。特别是指基于污水处理过程中有机物浓度渐次递减、曝气池中溶解氧浓度非均匀分布的两大特点，采用时间维度上的分阶段、空间维度上的分区供氧策略；同时污水池中增设折流板组件和半软性填料装置，使曝气中氧得到充分利用的低能耗曝气系统。

背景技术

中国是水资源相对匮乏的国家。尽管总量全球第四；但人均占有量仅 2600m3、只有世界人均拥有量的1/4，全球排名第110位。2030年，人均水资源占有量进一步降至1950m3，将成为不折不扣的严重贫水国。2010年，中国 600多个城市中的半数、即300余个出现供水问题，其中高缺水城市占1/6以上。以北京为例，1999年至今北京从河北调水3亿m3/年、超采本地的地下水五亿 m3/年，导致地下水位持续均降1m/年、形成面积约1000Km2的地下水降落漏斗区，如此巨大的地下水降落漏斗区无疑是高悬首都天空中的达摩克利斯之剑。即便如此，北京之渴依然难解；南水北调--引长江之水解北京之渴，工程旷日持久、耗费了天量的人力物力财力，水源区百姓的牺牲奉献更应铭刻史册。

中央要求全党充分认识资源环境约束条件下的经济新常态、即资源环境对经济发展形成的硬约束：“从资源环境约束看，过去能源资源和生态环境空间相对较大，现在环境承载能力已经达到或接近上限”。水体水质的日趋恶化从另一方面加剧了我国缺水的严峻程度。409个地表水国控监测断面抽查结果是：水质为I～III类、IV～V类和劣V类的断面占总断面的比例分别为59.9％、23.7％和 16.4％。国控范围内重点的26个湖泊(水库)：II类水质、III类水质、IV类水质、 V类水质、劣V类的数目分别为1个、5个、4个、6个、10个。简言之，中国水体污染的现状不容乐观，污水冶理刻不容缓；污水冶理是保护稀缺水资源、水资源多次重复利用、建设环境友好型社会基本国策的重要抓手。

截止2011年第三季度末，我国已建污水处理厂3078座，处理能力1.36亿 t/d，实际处理的污水量在1.1亿t/d上下；目前城市污水处理厂的吨水耗电量指标为0.25千瓦时左右，相当于发达国家城市污水处理厂吨水耗电量的2倍；此外，污水处理厂的运转率和出水达标率与发达国家亦存在明显差距。污水处理系统运行成本较高是制约我国污水处理持续可发展的关键因素。污水处理有生物降解、隔膜吸附过滤、电磁化及间歇式活性污泥(Sequencing Batch Reactor，SBR)法等。1987年，国际水协会(IAWQ)推出活性污泥1号模型ASM1。模型包含碳化、硝化、反硝化过程，以矩阵形式描述污水中好氧和缺氧条件下发生的有机碳水解、微生物生长和衰减等8个反应过程。模型包含13种组分、 5个化学计量参数和14个动力学参数。其后IAWQ相继发表了ASM2和ASM3；因此，SBR工艺立足在完整的科学理论体系之上。

围绕SBR，国内学术企业界开展了多层次全方位的的研发，既有理论探讨分析、亦有工程实施改进。业界形成共识，污水生化处理过程具有如下特性：非线性，污水生化处理过程中各变量之间高度非线性，由于涉及机理复杂的生化反应，上述非线性无法用定量数学工具精确描述；不确定性，包括进水水量、水质剧烈波动引起的系统不确定性，以及传感器检测信息的不确定性；大滞后，生化池的MLSS、DO浓度检测值滞后一段时间后才影响到出水的BOD、COD等质量指标，并且滞后时间与进水流量有关，故滞后时间也是不确定的。现有技术条件下，SBR工艺的BOD、COD等质量指标数据，尚无法直接在线测量或存在着严重的测量滞后；人工检测和分析获取的数据对事后评价污水厂效能有一定的价值，就实时在线控制而言帮助不大。为此，业界引入“溶解氧”(Dissolved Oxygen，DO)中间参数，间接反映系统的耗氧情况。DO仪构造简单、精度高，胜任在线检测；DO作为控制参数，判断污水有机物浓度的高低、调节曝气量。实践表明：无论水质、水量、水温等扰动因素如何变化，只要生物池DO浓度保持在某一设定值如2mg/L，就能满足菌胶团繁殖、有机物分解、保持污泥活性的需求，实现污水连续处理。DO浓度过低，降低了微生物对有机物的降解、活性污泥的活性变差、污泥膨胀；DO浓度过高，细菌的过氧化会降低细菌的活性、活性污泥的絮凝性能和吸附能力，增加能耗，并导致悬浮固体沉降性变差。DO 浓度通过曝气量调节，因此曝气系统的控制对于SBR系统至关重要；另一方面，曝气能耗占SBR污水处理厂总能耗的50％以上，优化曝气过程可改善吨水耗电量指标，解决困扰业界多年、降低污水处理厂运行能耗的难题。

SBR工艺流程中，曝气池中污水的有机物浓度随时间渐次递减：反应初始阶段，池内有机物浓度最高，只要供氧充足、即大曝气量，就可使有机物的降解速率得到提高；反应末期阶段，池内有机物的浓度有限，选择小曝气量将使池内污水中的DO浓度保持低水平，增强同步硝化反硝化(SND)脱氮效果、节约电耗；反应中期阶段，中等强度的曝气量则是合理选择。另一方面，SBR工艺流程中，曝气池中污水DO浓度的空间分布是非均匀。因此，基于污水有机物浓度因时而变、DO浓度因地而异的特征，分阶段分区供氧的曝气法有助于提高出水达标率，而且能降低污水处理系统的能耗。充分利用曝气中的氧是降低曝气量即电耗的第二途径，第二途径涉及两项内容：扩大氧与污水的气液接触面积，延长氧与污水的气液接触时间。本发明借鉴硫酸吸收塔“扩大气液接触面积”的磁环充填技术，提出在SBR工艺流程中附设半软性填料，提高曝气氧的利用率；参照石化精馏塔分离多组份“延长气液接触时间”的多层塔板技术，在SBR 工艺中增设折流板，提高曝气氧的利用率。前者着眼增大污水与空气的接触面积，后者关注延长污水与空气的接触时间。污水处理厂曝气系统的供氧解决方案亟待改进，本发明旨在弥补曝气系统供氧解决方案的不足。目前，较有代表性的知识产权成果综述如下：

·发明专利“基于模糊神经网络的溶解氧控制的废水处理方法及系统”(申请号201110037484.3)，提出基于模糊神经网络的溶解氧控制的废水处理方法，实现节约能耗，且出水水质达标排。

·发明专利“Orbal氧化沟生物脱氮工艺溶解氧控制装置及其方法”(专利号ZL200610114666.5)，提出根据进水水质，通过活性污泥反应动力学计算，确定各沟道初始溶解氧设定值，通过曝气变频控制器控制鼓风机的曝气量；当水质水量发生改变时，调整鼓风机曝气量。

上述有益探索，提出根据进水水质控制曝气量，以及模糊神经网络溶解氧控制方案，有一定的参考价值，但探索成果仍存在局限。因此，有必要在现有研究成果的基础上作深入的研究与创新：提出基于污水有机物浓度和DO浓度、分阶段分区供氧，并使曝气中氧得到充分利用的低能耗整体解决方案。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于有机物浓度和DO浓度的分阶段分区曝气系统。基于有机物浓度和DO浓度的分阶段分区曝气系统包括爆气头组、安装支架、折流板组件、半软性填料装置、DO传感器组、控制器、曝气风机、电动调节阀组；

曝气头组包括6排沿曝气池底等距直线安装的曝气头，从左到右分别为A 排曝气头、B排曝气头、C排曝气头、D排曝气头、E排曝气头、F排曝气头；DO 传感器组包括AB区DO传感器、CD区DO传感器和EF区DO传感器，AB区DO 传感器Z方向距池顶0.6m、X和Y方向定位于A排曝气头和B排曝气头连线的中点，CD/EF区DO传感器类同；电动调节阀组包括AB区电动调节阀、CD区电动调节阀和EF区电动调节阀，A排曝气头和B排曝气头共用一根、配置AB区电动调节阀的供气支管，曝气风机输入的空气经AB区电动调节阀、供气支管至A 排曝气头和B排曝气头，CD/EF区电动调节阀类同；

DO传感器组、曝气风机、电动调节阀组与控制器相连，构成基于有机物浓度和DO浓度的分阶段分区DO模糊控制系统；控制器输入AB/CD/EF区DO传感器上传的DO值，借助AB/CD/EF区电动调节阀、提供A排曝气头和B排曝气头、 C排曝气头和D排曝气头、E排曝气头和F排曝气头的供气量；控制器同步调节曝气风机供气量；折流板组件延长了污水与空气的接触时间、半软性填料装置增大了污水中微生物与空气的接触面积。

所述的折流板组件包括3层折流板，3层长方形折流板由螺栓对穿连接成一体化组件；折流板组件与池底水平方向平行，安装至固定在池底的支架上，位于曝气头组与DO传感器组之间；折流板均布圆形小孔、孔径为D、孔距取4D，层间圆形小孔交错排列：第1层、第3层折流板圆形小孔具有相同的X和Y位置参数，第2层折流板圆形小孔的Y位置参数与第1层折流板圆形小孔的Y位置参数相同，但是第2层折流板圆形小孔的X位置参数与第1层折流板圆形小孔的X位置参数相差2D；曝气池中直线上升的曝气气泡被折线上升替代，延长了污水与空气的接触时间；另一方面，空气气泡穿越小孔时将被切割、紊流成倍增加，形成大量较小直径的气泡；气液两相充分接触，使空气中氧向污水转移的推动力大大提高、即曝气中的氧得到更加充分利用。

所述的半软性填料装置包括N个独立的半软性填料单元，N＞1，半软性填料单元均匀布置在折流板组件上方；通过中心孔将半软性填料单元穿成串状，以栓挂式方式安装、即上悬挂下固定的方式安装：下方栓挂在折流板上，上方栓挂在池顶预埋的复合钢丝绳上，栓挂的高度每段1～2m为宜；半软性填料阻力小，布水、布气性能好，易长膜、亦有空气气泡切泡作用：空气气泡不断被切割破碎，扩大了污水中微生物与空气的接触面积，增加了空气中氧向污水的转移率以及微生物与氧接触的表面积、即曝气中的氧得到更加充分利用。

所述的控制器采用上下位机的分层架构，包括以S7-300系列PLC为核心的下位机、以及MP277型触摸屏上位机，两者通过PROFI-BUS总线连接；PLC下位机由电源模块PS307、CPU模块315-2PN/DP、模拟量输入模块331-1BL00、模拟量输出模块332-1BL00、数字量输入模块321-1BL00、数字量输出模块322-1BL00 组成；AI模块的位号为PIW256-PIW271，AO模块的位号为PQW256-PQW271，DI 模块的位号为I0.0～I6.7，DO模块的位号为Q0.0～Q3.7；

曝气风机的型号为YX-71D-3，借助电机控制中心柜、采用电机直接启动配电方式，对应的PLC连接点位分别是I0.0运行状态、I0.1故障状态、Q0.0启动、Q0.1停止；DO传感器组配置3支同型号的CN61M/DOG-2008型DO传感器， AB区DO传感器相应的PLC连接点位是PIW256、CD/EF区DO传感器的PLC连接点位是PIW258/PIW260；电动调节阀组选用3台同型号的ZRQM-16C DN40型电动调节阀，AB区电动调节阀接入的PLC连接点位是I0.2开到位状态、I0.3关到位状态，Q0.2开指令、Q0.3关指令，PQW256电动调节阀控制开度指令、PIW262 电动调节阀控制开度反馈；CD区电动调节阀的PLC连接点位是I0.4开到位状态、 I0.5关到位状态，Q0.4开指令、Q0.5关指令，PQW258电动调节阀控制开度指令、PIW264电动调节阀控制开度反馈；EF区电动调节阀的PLC连接点位是I0.6 开到位状态、I0.7关到位状态，Q0.6开指令、Q0.7关指令，PQW260电动调节阀控制开度指令，PIW266电动调节阀控制开度反馈。

所述的基于有机物浓度和DO浓度的分阶段分区DO模糊控制涉及3个DO给定值：反应初始阶段DO给定值VDO-start、反应中期阶段DO给定值VDO-mid和反应末期阶段DO给定值VDO-end，VDO-start＞VDO-mid＞VDO-end；模糊控制涉及3个曝气风机出口压力给定值：反应初始阶段出口压力VP-start、反应中期阶段出口压力VP-mid和反应末期阶段出口压力VP-end，VP-start＞VP-mid＞ VP-end；上述3个阶段、3个区的DO模糊控制类同，不失一性，以反应初始阶段AB区的DO模糊控制为例展开论述；

反应初始阶段AB区的DO模糊控制包括2个模糊输入变量：E-溶解氧偏差、 CE-溶解氧偏差变化率，1个模糊输出变量：AB区电动调节阀的开度；DO给定值：反应初始阶段DO给定值VDO-start，曝气风机出口压力给定值：反应初始阶段出口压力VP-start；模糊控制算法的模糊量化步骤中需引入量化S曲线校正，反模糊化时则通过反量化S曲线校正。

所述的基于有机物浓度和DO浓度的分阶段分区曝气系统流程在时间维度上分阶段串行展开，在空间维度上分区并行展开；

1.检测初沉池污水指标，生成：反应初始阶段DO给定值VDO-start、反应中期阶段DO给定值VDO-mid和反应末期阶段DO给定值VDO-end，反应初始阶段曝气风机出口压力VP-start、反应中期阶段曝气风机出口压力VP-mid和反应末期阶段曝气风机出口压力VP-end；

2.反应初始阶段

DO给定值＝VDO-start、曝气风机出口压力＝VP-start

AB区DO模糊控制、CD区DO模糊控制、EF区DO模糊控制

3.反应中期阶段

DO给定值＝VDO-mid、曝气风机出口压力＝VP-mid

AB区DO模糊控制、CD区DO模糊控制、EF区DO模糊控制

4.反应末期阶段

DO给定值＝VDO-end、曝气风机出口压力＝VP-end

AB区DO模糊控制、CD区DO模糊控制、EF区DO模糊控制。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

本发明基于污水处理过程中有机物浓度渐次递减、曝气池中溶解氧浓度非均匀分布的特点，采用时间维度上的分阶段、空间维度上的分区供氧策略；同时污水池中增设折流板组件和半软性填料装置，前者延长了污水与空气的接触时间，后者扩大了污水与空气的接触面积，不仅提高了出水达标率，而且曝气中的氧得到了更加充分的利用。

附图说明

图1是基于有机物浓度和DO浓度的分阶段分区曝气系统结构图；

图2是折流板组件结构图；

图3是半软性填料装置的栓挂式安装图；

图4是控制器结构框图；

图5是分阶段分区DO模糊控制原理框图；

图6是基于有机物浓度和DO浓度的分阶段分区曝气系统流程图。

具体实施方式

如图1所示，基于有机物和DO浓度的分阶段分区曝气系统由爆气头组10、安装支架20、折流板组件30、半软性填料装置40、DO传感器组50、控制器60、曝气风机70、电动调节阀组80组成；污水经初沉池粗滤完成固液分离，固态废物送污泥处理车间，液态污水进入曝气池(长66m、宽22.5m、深9m)，SBR工艺流程启动；经SBR工艺处理后的污水输入二沉池，检测达标的合格污水从二沉池排出；

曝气头组10包括6排沿曝气池底等距直线安装的曝气头，从左到右分别为 A排曝气头11、B排曝气头12、C排曝气头13、D排曝气头14、E排曝气头15、 F排曝气头16；DO传感器组50包括AB区DO传感器51、CD区DO传感器52和 EF区DO传感器53，AB区DO传感器51Z方向距池顶0.6m、X和Y方向定位于 A排曝气头11和B排曝气头12连线的中点，CD/EF区DO传感器类同；电动调节阀组80包括AB区电动调节阀81、CD区电动调节阀82和EF区电动调节阀83， A排曝气头11和B排曝气头12共用一根、配置AB区电动调节阀81的供气支管，曝气风机70输入的空气经AB区电动调节阀81、供气支管至A排曝气头11和B 排曝气头12，CD/EF区电动调节阀类同；

DO传感器组50、曝气风机70、电动调节阀组80与控制器60相连，构成基于有机物浓度和DO浓度的分阶段分区DO模糊控制系统；控制器60输入AB/CD/EF 区DO传感器上传的DO值，借助AB/CD/EF区电动调节阀、提供A排曝气头11 和B排曝气头12、C排曝气头13和D排曝气头14、E排曝气头15和F排曝气头16的供气量；控制器60同步调节曝气风机70供气量；折流板组件30延长了污水与空气的接触时间、半软性填料装置40增大了污水中微生物与空气的接触面积。

说明：考虑到表述简洁，省略了属公知知识范畴的曝气风机压力控制回路；曝气池按污水处理流程的方向从左到右分成3个区：AB区、CD区、EF区。

如图2所示，折流板组件30包括3层折流板，3层长方形折流板由螺栓对穿连接成一体化组件；折流板组件30与池底水平方向平行，安装至固定在池底的支架20上，位于曝气头组10与DO传感器组50之间；折流板均布圆形小孔、孔径为D、孔距取4D，层间圆形小孔交错排列：第1层、第3层折流板圆形小孔具有相同的X和Y位置参数，第2层折流板圆形小孔的Y位置参数与第1层折流板圆形小孔的Y位置参数相同，但是第2层折流板圆形小孔的X位置参数与第1层折流板圆形小孔的X位置参数相差2D；曝气池中直线上升的曝气气泡被折线上升替代，延长了污水与空气的接触时间；另一方面，空气气泡穿越小孔时将被切割、紊流成倍增加，形成大量较小直径的气泡；气液两相充分接触，使空气中氧向污水转移的推动力大大提高、即曝气中的氧得到更加充分利用。

说明：考虑到表述简洁，省略了折流板组件的冲洗附件、以及支架上的起吊构件(用于折流板组件的维修保养)。

如图3所示，半软性填料装置40包括N个独立的半软性填料单元(N＞1)，半软性填料单元均匀布置在折流板组件30上方；通过中心孔将半软性填料单元穿成串状，以栓挂式方式安装、即上悬挂下固定的方式安装：下方栓挂在折流板上，上方栓挂在池顶预埋的复合钢丝绳上，栓挂的高度每段1～2m为宜；半软性填料阻力小，布水、布气性能好，易长膜、亦有空气气泡切泡作用：空气气泡不断被切割破碎，扩大了污水中微生物与空气的接触面积，增加了空气中氧向污水的转移率以及微生物与氧接触的表面积、即曝气中的氧得到更加充分利用。

如图4所示，控制器60采用上下位机的分层架构，包括以S7-300系列PLC 为核心的下位机、以及MP277型触摸屏上位机69，两者通过PROFI-BUS总线连接；PLC下位机由电源模块PS30761、CPU模块315-2PN/DP 62、模拟量输入模块331-1BL00 63、模拟量输出模块332-1BL00 64、数字量输入模块321-1BL00 65、数字量输出模块322-1BL00 66组成；AI模块的位号为PIW256-PIW271，AO模块的位号为PQW256-PQW271，DI模块的位号为I0.0～I6.7，DO模块的位号为 Q0.0～Q3.7；

曝气风机70的型号为YX-71D-3，借助电机控制中心柜、采用电机直接启动配电方式，对应的PLC连接点位分别是I0.0运行状态、I0.1故障状态、Q0.0 启动、Q0.1停止；DO传感器组50配置3支同型号的CN61M/DOG-2008型DO传感器，AB区DO传感器51相应的PLC连接点位是PIW256、CD/EF区DO传感器 52/53的PLC连接点位是PIW258/PIW260；电动调节阀组80选用3台同型号的 ZRQM-16C DN40型电动调节阀，AB区电动调节阀81接入的PLC连接点位是I0.2开到位状态、I0.3关到位状态，Q0.2开指令、Q0.3关指令，PQW256电动调节阀控制开度指令、PIW262电动调节阀控制开度反馈；CD区电动调节阀82的PLC 连接点位是I0.4开到位状态、I0.5关到位状态，Q0.4开指令、Q0.5关指令， PQW258电动调节阀控制开度指令、PIW264电动调节阀控制开度反馈；EF区电动调节阀83的PLC连接点位是I0.6开到位状态、I0.7关到位状态，Q0.6开指令、 Q0.7关指令，PQW260电动调节阀控制开度指令，PIW266电动调节阀控制开度反馈。

如图5所示，基于有机物浓度和DO浓度的分阶段分区曝气系统采用分阶段分区DO模糊控制；在曝气阶段，活性淤泥微生物周期性地处于高浓度及低浓度基质环境中，曝气反应池内相应地形成厌氧-缺氧-好氧的交替过程；SBR工艺流程中，曝气池中污水的有机物浓度随时间渐次递减，故反应初始、中期和末期阶段的最佳DO给定值需递减；鉴于曝气池中污水DO浓度的空间分布是非均匀，实施AB、CD、EF区的分布式并行控制是合理的；模糊控制涉及3个DO给定值：反应初始阶段DO给定值VDO-start、反应中期阶段DO给定值VDO-mid和反应末期阶段DO给定值VDO-end，VDO-start＞VDO-mid＞VDO-end；模糊控制涉及3个曝气风机出口压力给定值：反应初始阶段出口压力VP-start、反应中期阶段出口压力VP-mid和反应末期阶段出口压力VP-end，VP-start＞VP-mid＞VP-end；上述3个阶段、3个区的DO模糊控制类同，不失一性，以反应初始阶段AB区的DO模糊控制为例展开论述；

反应初始阶段AB区的DO模糊控制包括2个模糊输入变量：E-溶解氧偏差、 CE-溶解氧偏差变化率，1个模糊输出变量：AB区电动调节阀81的开度；DO给定值：反应初始阶段DO给定值VDO-start，曝气风机出口压力给定值：反应初始阶段出口压力VP-start；模糊控制算法的模糊量化步骤中需引入量化S曲线校正，反模糊化时则通过反量化S曲线校正，S曲线校正能有效降低偏离DO给定值的小偏差具有的过高灵敏度；模糊控制的模糊化量化见表1，

表1模糊控制的模糊化量化表

溶解氧等级(y)＝4*溶解氧(VDO)^0.5

对于误差E，误差变化CE及控制量U的模糊集及其论域定义如下：

CE和U的模糊集均为{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}

E的模糊集为{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}

E区分了NO、PO，主要为了提高稳态精度

E、CE、U的论域均为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}

模糊控制规则

利用DO设定值和DO测量值之间的误差以及误差的变化率来消除误差的模糊控制规则，可以用以下语句描述：

If E＝NB and CE＝NB then U＝PB or

If E＝NB and CE＝NM then U＝PB or

If E＝NB and CE＝NS then U＝PB or

以此类推，模糊控制规则见表2，

表2模糊控制规则表

模糊变量赋值表，假定E、CE、u上的模糊变量都为正态型模糊变量，F(X) ＝EXP(-(x-a)²/2b²)，根据经验公式及实验确定表3模糊变量赋值表，

表3-1模糊变量E的赋值表

表3-2模糊变量CE的赋值表

表3-3模糊变量u的赋值表

R1＝(NB_E×PB_U).(NB_E×PB_U)

U1＝e。(NB_E×PB_U).ce。(NB_CE×PB_U)

其中符号“。，+，×，.”分别代表模糊集合的“合成、并、直积、交”运算。

对所求的U进行清晰化计算，得：

表3-4模糊控制表

考虑到在模糊化阶段接近稳定值处很小的偏差将产生很大的响应，反模糊化的量化曲线也需要修正，反模糊化公式为转速增量(y)＝u²/16，将最终的实际输出值表4放入PLC中，作控制查询表实现模糊控制规则，

表4实际输出总控制表

如图6所示，基于有机物浓度和DO浓度的分阶段分区曝气系统流程在时间维度上分阶段串行展开，在空间维度上分区并行展开；

2.反应初始阶段

DO给定值＝VDO-start、曝气风机出口压力＝VP-start

AB区DO模糊控制、CD区DO模糊控制、EF区DO模糊控制

3.反应中期阶段

DO给定值＝VDO-mid、曝气风机出口压力＝VP-mid

AB区DO模糊控制、CD区DO模糊控制、EF区DO模糊控制

4.反应末期阶段

DO给定值＝VDO-end、曝气风机出口压力＝VP-end

AB区DO模糊控制、CD区DO模糊控制、EF区DO模糊控制。

Claims

1.基于有机物浓度和DO浓度的分阶段分区曝气系统，其特征在于：由3排曝气头组(10)、安装支架(20)、折流板组件(30)、半软性填料装置(40)、DO传感器组(50)、控制器(60)、曝气风机(70)、电动调节阀组(80)组成；曝气头组(10)包括6排沿曝气池底等距直线安装的曝气头，从左到右分别为A排曝气头(11)、B排曝气头(12)、C排曝气头(13)、D排曝气头(14)、E排曝气头(15)、F排曝气头(16)；DO传感器组(50)包括AB区DO传感器(51)、CD区DO传感器(52)和EF区DO传感器(53)，AB区DO传感器(51)Z方向距池顶0.6m、X和Y方向定位于A排曝气头(11)和B排曝气头(12)连线的中点，CD/EF区DO传感器类同；电动调节阀组(80)包括AB区电动调节阀(81)、CD区电动调节阀(82)和EF区电动调节阀(83)，A排曝气头(11)和B排曝气头(12)共用一根、配置AB区电动调节阀(81)的供气支管，曝气风机(70)输入的空气经AB区电动调节阀(81)、供气支管至A排曝气头(11)和B排曝气头(12)，CD/EF区电动调节阀类同；

DO传感器组(50)、曝气风机(70)、电动调节阀组(80)与控制器(60)相连，构成基于有机物浓度和DO浓度的分阶段分区DO模糊控制系统；控制器(60)输入AB/CD/EF区DO传感器上传的DO值，借助AB/CD/EF区电动调节阀、提供A排曝气头(11)和B排曝气头(12)、C排曝气头(13)和D排曝气头(14)、E排曝气头(15)和F排曝气头(16)的供气量；控制器(60)同步调节曝气风机(70)供气量；折流板组件(30)延长了污水与空气的接触时间、半软性填料装置(40)增大了污水中微生物与空气的接触面积；

所述的基于有机物浓度和DO浓度的分阶段分区DO模糊控制涉及3个DO给定值：反应初始阶段DO给定值VDO-start、反应中期阶段DO给定值VDO-mid和反应末期阶段DO给定值VDO-end，VDO-start＞VDO-mid＞VDO-end；模糊控制涉及3个曝气风机出口压力给定值：反应初始阶段出口压力VP-start、反应中期阶段出口压力VP-mid和反应末期阶段出口压力VP-end，VP-start＞VP-mid＞VP-end；上述3个阶段、3个区的DO模糊控制类同，不失一性，以反应初始阶段AB区的DO模糊控制为例展开论述；

反应初始阶段AB区的DO模糊控制包括2个模糊输入变量：E-溶解氧偏差、CE-溶解氧偏差变化率，1个模糊输出变量：AB区电动调节阀(81)的开度；DO给定值：反应初始阶段DO给定值VDO-start，曝气风机出口压力给定值：反应初始阶段出口压力VP-start；模糊控制算法的模糊量化步骤中需引入量化S曲线校正，反模糊化时则通过反量化S曲线校正。

2.根据权利要求1所述的基于有机物浓度和DO浓度的分阶段分区曝气系统，其特征在于所述的折流板组件(30)包括3层折流板，3层长方形折流板由螺栓对穿连接成一体化组件；折流板组件(30)与池底水平方向平行，安装至固定在池底的支架(20)上，位于曝气头组(10)与DO传感器组(50)之间；折流板均布圆形小孔、孔径为D、孔距取4D，层间圆形小孔交错排列：第1层、第3层折流板圆形小孔具有相同的X和Y位置参数，第2层折流板圆形小孔的Y位置参数与第1层折流板圆形小孔的Y位置参数相同，但是第2层折流板圆形小孔的X位置参数与第1层折流板圆形小孔的X位置参数相差2D。

3.根据权利要求1所述的基于有机物浓度和DO浓度的分阶段分区曝气系统，其特征在于所述的半软性填料装置(40)包括N个独立的半软性填料单元，N＞1，半软性填料单元均匀布置在折流板组件(30)上方；通过中心孔将半软性填料单元穿成串状，以栓挂式方式安装、即上悬挂下固定的方式安装：下方栓挂在折流板上，上方栓挂在池顶预埋的复合钢丝绳上，栓挂的高度每段1～2m为宜。

4.根据权利要求1所述的基于有机物浓度和DO浓度的分阶段分区曝气系统，其特征在于所述的控制器(60)采用上下位机的分层架构，包括以S7-300系列PLC为核心的下位机、以及MP277型触摸屏上位机(69)，两者通过PROFI-BUS总线连接；PLC下位机由电源模块PS307(61)、CPU模块315-2PN/DP(62)、模拟量输入模块331-1BL00(63)、模拟量输出模块332-1BL00(64)、数字量输入模块321-1BL00(65)、数字量输出模块322-1BL00(66)组成；AI模块的位号为PIW256-PIW271，AO模块的位号为PQW256-PQW271，DI模块的位号为I0.0～I6.7，DO模块的位号为Q0.0～Q3.7；

曝气风机(70)的型号为YX-71D-3，借助电机控制中心柜、采用电机直接启动配电方式，对应的PLC连接点位分别是I0.0运行状态、I0.1故障状态、Q0.0启动、Q0.1停止；DO传感器组(50)配置3支同型号的CN61M/DOG-2008型DO传感器，AB区DO传感器(51)相应的PLC连接点位是PIW256、CD/EF区DO传感器(52/53)的PLC连接点位是PIW258/PIW260；电动调节阀组(80)选用3台同型号的ZRQM-16C DN40型电动调节阀，AB区电动调节阀(81)接入的PLC连接点位是I0.2开到位状态、I0.3关到位状态，Q0.2开指令、Q0.3关指令，PQW256电动调节阀控制开度指令、PIW262电动调节阀控制开度反馈；CD区电动调节阀(82)的PLC连接点位是I0.4开到位状态、I0.5关到位状态，Q0.4开指令、Q0.5关指令，PQW258电动调节阀控制开度指令、PIW264电动调节阀控制开度反馈；EF区电动调节阀(83)的PLC连接点位是I0.6开到位状态、I0.7关到位状态，Q0.6开指令、Q0.7关指令，PQW260电动调节阀控制开度指令，PIW266电动调节阀控制开度反馈。

5.根据权利要求1所述的基于有机物浓度和DO浓度的分阶段分区曝气系统，其特征在于所述的基于有机物浓度和DO浓度的分阶段分区曝气系统流程在时间维度上分阶段串行展开，在空间维度上分区并行展开；

步骤1.检测初沉池污水指标，生成：反应初始阶段DO给定值VDO-start、反应中期阶段DO给定值VDO-mid和反应末期阶段DO给定值VDO-end，反应初始阶段曝气风机出口压力VP-start、反应中期阶段曝气风机出口压力VP-mid和反应末期阶段曝气风机出口压力VP-end；

步骤2.反应初始阶段

DO给定值＝VDO-start、曝气风机出口压力＝VP-start

AB区DO模糊控制、CD区DO模糊控制、EF区DO模糊控制

步骤3.反应中期阶段

DO给定值＝VDO-mid、曝气风机出口压力＝VP-mid

AB区DO模糊控制、CD区DO模糊控制、EF区DO模糊控制

步骤4.反应末期阶段

DO给定值＝VDO-end、曝气风机出口压力＝VP-end

AB区DO模糊控制、CD区DO模糊控制、EF区DO模糊控制。